诺奖得主朱棣文和崔屹在Nature子刊展望可持续能源与新材料！

能源是推动人类社会进步的根本物质基础，在环境问题日益严峻和化石能源储量日益枯竭的条件下，地球已经难以为不断增长的能源需求买单。这时候，以纳米材料为主的新材料开发，为人类获取、运输、储存、分配和管理可持续清洁能源带来了曙光。新材料为新能源生产、电能和化学能储存、提高能量效率以及实现更好的能源管理体系起到了决定性的推动作用！

 

有鉴于此，1997年诺贝尔物理学奖得主、美国第12任能源部部长、斯坦福大学教授朱棣文、斯坦福大学教授崔屹和斯坦福大学Nian Liu博士在最新的Nature Materials中，就新材料对光伏器件、电池、太阳能与化学能转换三大可持续能源系统的研究展开了深入讨论，并展望了新材料今后在可持续能源应用中的研究方向。

 

图1.朱棣文、崔屹和Nian Liu

 

自工业革命以来，尤其是1950年以来，化石能源的燃烧带来大量温室气体排放，譬如CO₂、CH₄、N₂O以及含氟气体等。温室效应导致大量的干旱、洪灾、海平面上升，以及诸多不可预测的灾难。

老子曰：不谙变通者，必将毁于执。开发可持续清洁能源，是人类社会不至于毁灭的当务之急和根本策略。根据目前可预测情况来看，未来可持续清洁能源将极大地依靠MOF、催化剂等纳米材料来实现碳捕获、太阳能转化、电动汽车的全面推行、建筑物的低碳化以至于最终实现碳的零排放。

 

图2. 未来可持续清洁能源体系

 

一、从光伏器件来看

 

太阳能模块的价格已经从2008年的3美元/W降低到2016年的0.5美元/W（按照1个太阳光照强度产生1 W计算）。2011年，美国能源部太阳能技术方案(SunShot)计划，到2020年实现发电整体成本达到0.06美元/kWh（工业）和0.09美元/kWh（住宅），到2030年实现发电整体成本达到0.03美元/kWh（工业）和0.05美元/kWh（住宅）。

在迪拜等太阳辐照强的地方，现在太阳能发电整体成本已经达到0.03-0.04美元/kWh。

 

图3. 太阳能面板

 

受荷叶启发，基于纳米结构材料的自清洁、防污、防冰、超疏水表面即将解决太阳能模块表面变脏和水汽干扰，风力发电机叶片结冰、海洋船只船体腐蚀防污等一系列问题。

太阳能综合利用正在稳步前进中……

 

图4. 光伏技术举例

 

二、从电池来看

 

安全、高效、耐用的可重复充电电池是电动汽车和电网应用的重要方向，现有电动汽车电池比能量已经达到200-250 Wh/kg。美国能源部计划，2022年实现电动汽车电池组件价格达到125美元/kWh。而Battery500联盟则提出了更为的宏伟目标：比能量达到500 Wh/kg，使用寿命十年，总续航里程达到15万英里。

在电网领域，高能量密度并不是最重要的，性能稳定性是首先需要解决的问题。美国能源部的目标是：重复循环使用6000次，使用寿命超过20年。

 

    在交通运输工具和日常电子器件领域，锂离子电池是目前主流能源技术。以石墨为负极，以Li-M-O（譬如LiNi_xCo_yMn_zO₂ (NMC), LiMn₂O₄ ,LiFePO₄ 和Li₄Ti₅O₁₂）为正极的锂离子电池已经在电动大巴车上投入使用。其主要问题在于：负极电势太高，能量密度较低。

 

图5. Tesla Model S

 

就锂离子电池负极而言，诱惑较大的主要有Si和Li金属两种材料。1) Si的比容量是石墨的10多倍（Si：4200 mAh g^-1，Li_4.4Si：2100 mAh g^-1, 石墨：372 mAh g^-1），但是体积变化导致其寿命较差。2) Li金属材料比容量高达3860 mAh g^-1,作为锂离子电池负极材料也是潜力无限。其主要问题在于枝晶产生，导致循环库伦效率低，使用寿命较短。

    就锂离子电池正极而言，经过不断研究，LiNi_xCo_yMn_zO₂已经实现了250mAh g^-1的比容量，但是化学稳定性和结构稳定性还有很大的提升空间。除此之外，诱惑较大的主要有S正极（比容量约1700 mAh g^-1）和O₂正极（比容量约1700 mAh g^-1， Li₂O₂）。但是Li-S电池和Li-O₂电池也存在稳定性差和使用寿命较短的问题。

 

图6. 基于纳米技术的电池电极材料